איך המידע על דיסק-און-קי לא נמחק אחרי שמוציאים אותו מהחשמל? דוד

נבחין בין שני סוגים של זיכרון אלקטרוני:(random access memory) RAM ו- ROM (read-only memory). ההבדל העקרוני ביניהם הוא ש- RAM הוא זיכרון ש"נשכח", נמחק כאשר מכבים את המחשב, ואילו ROM לא נמחק. המידע שהמחשב צריך לזכור כל הזמן (למשל מה לעשות מיד לאחר ההדלקה) שמור על צ'יפים של ROM, שהמידע עליהם נצרב מראש ולצמיתות. במהלך העבודה השוטפת על המחשב, כשהמחשב מעבד מידע באופן זמני, הוא משתמש בצ'יפים של RAM. אם תפרקו דיסק-און-קי תמצאו שם צ'יפ של זיכרון מסוג flash, שהוא בעל מאפיינים משותפים עם ROM ועם RAM: כמו ה-ROM, הוא זוכר מידע כאשר מנתקים אותו מהחשמל, וכמו ה- RAM, ניתן למחוק אותו ולכתוב עליו כמעט ללא הגבלה.

כדי להבין איך עובד זיכרון flash, ראשית עלינו להבין מהו טרנזיסטור. טרנזיסטורים הם מתגים העשויים מסיליקון, ומתפקדים בתור תאי העצב של המחשב. לשם המחשה, על צ'יפ של מחשב מודרני, שגודלו כציפורן, מצויים כ-500 מיליון טרנזיסטורים. טרנזיסטור יכול להיות במצב דולק או כבוי (מעביר זרם חשמלי או חוסם אותו), ובהתאמה מאפשר למחשב לאחסן 1או 0 – שתי הספרות האפשריות בבסיס הבינארי שבו משתמש המחשב.

דיסק-און-קי אופייני – וצ'יפ ה- flash שתמצאו אם תפתחו אותו

לטרנזיסטור רגיל יש 3 חיבורים, הנקראים מקור, נקז ושער. אפשר לחשוב עליו כעל צינור, דרכו עובר זרם חשמלי (אלקטרונים). קצה אחד של הטרנזיסטור נקרא מקור, ומתפקד כברז בצינור של מים. הקצה השני נקרא נקז, אליו מתנקז הזרם. ביניהם ישנו שער. כאשר השער סגור, לא עובר זרם, הטרנזיסטור נמצא במצב כבוי ומאחסן את הספרה 0. כשהשער פתוח, עובר זרם והטרנזיסטור מאחסן את הספרה 1. הפונקציה הזאת מתאפשרת הודות למבנהו הכימי של הטרנזיסטור, העשוי מחיבור של שני סוגים של סיליקון במערך סנדויץ' המכונה n-p-n, כאשר n מציין סיליקון ששונה כך שאלקטרונים יכולים לעבור החוצה ממנו בקלות, ואילו p מציין סיליקון הנוטה למשוך אלקטרונים מחומרים שלידו (סיליקון שלא טופל כמעט ולא מאפשר מעבר אלקטרונים דרכו). טרנזיסטור כזה כבה כאשר מנתקים אותו מהחשמל, וכאשר נדליק שוב את החשמל, הוא עדיין יישאר במצב כבוי, ואי אפשר יהיה לומר מה היה המצב הקודם שלו – 0 או 1, כלומר הוא שוכח את המידע שהוא שומר.

לטרנזיסטור flash יש מבנה שונה במקצת המאפשר לו לזכור את המצב שקדם לכיבוי – הוא מצויד בשני שערים במקום בשער אחד. שני השערים מופרדים זה מזה ע"י שכבה של אוקסיד (תרכובת של מתכת וחמצן) שלא מאפשרת בדרך-כלל מעבר זרם (מבודדת).

איך מדליקים טרנזיסטור כזה? אם נחבר מקור מתח חיובי לשני החיבורים שבציור, אלקטרונים יימשכו מהמקור לנקז. כמה מהם יצליחו לעבור דרך שכבת האוקסיד וייתקעו על השער הראשון בתהליך קוונטי המכונה מנהור. נוכחותם של אלקטרונים על השער הראשון מאפשרת לטרנזיסטור מסוג flash לאחסן את הספרה 1. האלקטרונים יישארו שם לצמיתות ללא קשר לאם נפעיל מתח או לא. הדרך לנקז את האלקטרונים משם היא להפעיל מתח שלילי שידחה אותם בחזרה ויגרום לאחסון הספרה 1 – כך אפשר גם למחוק מידע מטרנזיסטור flash.

סיכום עיקרון הפעולה של טרנזיסטור flash. אלקטרונים מסומנים כעיגולים אדומים

מאת: נעה זמשטיין
המחלקה לפיזיקה כימית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.